膨脹土的工程特性和判定及路基設(shè)計(jì)課件

1、膨脹土的工程特性和判定及路基設(shè)計(jì)二、膨脹土的工程特性 (一)脹縮性 膨脹土吸水體積膨脹，使其上的建筑物隆起，如果膨脹受阻即產(chǎn)生膨脹力；失水體積收縮，造成土體開裂，并使其上的建筑物下沉。 膨脹土產(chǎn)生膨脹的強(qiáng)弱與黏土顆粒含量、黏粒的礦物成分以及晶體結(jié)構(gòu)的差異有關(guān)。 膨脹土的顆粒成分：粒徑0.005mm 黏粒； 0.005mm粒徑0.05mm 砂粒 含量較少； 土的顆粒越細(xì)，膨脹土的特殊性質(zhì)越強(qiáng)。 膨脹土路基膨脹土路基組成成分： 我國(guó)膨脹土的主要成分為蒙脫石、伊利石和高嶺石等。 ） 蒙脫石是一種鱗狀礦物，具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)膨脹性； ） 伊利石的晶格結(jié)構(gòu)和蒙脫石類似，但是活動(dòng)能力較低， 僅有中等膨脹性；

2、）高嶺石晶體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，屬于低膨脹性土。微觀結(jié)構(gòu)方面：膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)和其成因類型、粘土礦物的種類和迭堆情況相關(guān)。SSSSSSS3膨脹土及其工程問(wèn)題膨脹土是一種富膨脹性粘土礦物且在環(huán)境干濕交替作用下發(fā)生體積明顯脹縮和強(qiáng)度強(qiáng)烈衰減而常常導(dǎo)致工程變形破壞的非飽和粘性土。鋁氧八面體硅氧四面體蒙脫石構(gòu)型鉀離子伊利石構(gòu)型微觀特征：（1）以蒙脫石和伊利石及其混成粘土礦物為主，易吸水膨脹，失水收縮；（2）比表面積大；（3）陽(yáng)離子交換量大；（4）微裂隙發(fā)育。高嶺石構(gòu)型GSnH2OGSGSGS鋁氧八面體硅氧四面體GSGS膨脹土路基自由膨脹率ef將人工制備的磨細(xì)烘干土樣，經(jīng)無(wú)頸漏斗注入量杯，量其體積，然后倒入盛

3、水的量筒中，經(jīng)充分吸水膨脹穩(wěn)定后，再測(cè)其體積。增加的體積與原體積的比值ef稱為自由膨脹率。膨脹土路基（二）多裂隙性 普遍發(fā)育各種形態(tài)的裂隙是膨脹土的另一個(gè)顯著特征。膨脹土的形成與其成土過(guò)程、漲縮效應(yīng)、風(fēng)化作用等相關(guān)。分類： 原生裂隙：地表以下3m的土體很少受氣候變化的影響，成為原生裂隙。 次生裂隙：分布在3m以內(nèi)，用肉眼就能很容易觀察到。膨脹土路基 （三）超固結(jié)性 由于膨脹土大都是在更新世以前沉積的土層，在歷史上曾經(jīng)受過(guò)超壓密作用，處于超固結(jié)狀態(tài)。 因此膨脹土： 隨著土體開挖，將產(chǎn)生明顯的卸載膨脹，是土體內(nèi)聚集的能量逐漸釋放。 （四）崩解性 膨脹土浸水后體積膨脹，發(fā)生崩解。強(qiáng)膨脹土浸水后幾分鐘

4、即完全崩解。 （五）強(qiáng)度衰減性 由于脹縮效應(yīng)和風(fēng)化作用時(shí)間增加，抗剪強(qiáng)度大幅度衰減。膨脹土路基（二）膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn)和分類標(biāo)準(zhǔn) 膨脹土的判斷標(biāo)準(zhǔn)和分類指標(biāo)都采用綜合判定的方法，及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)特征、自由膨脹率、和建筑的破壞程度來(lái)綜合確定。初判工程地質(zhì)特征自由膨脹率詳判初判自由膨脹率、蒙脫石含量、陽(yáng)離子交換量標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率（%）標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率（%）標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率（%）R = 0.9461R = 0.9823R = 0.9211y = 0.0264x + 0.69012015129630400500100 200 300比表面積（m2/g）y = 0.2649x + 0.72662015129

5、630405010 20 30蒙脫石含量（%）y = 0.0281x - 0.455920151296306004200 400陽(yáng)離子交換量（me/kg）膨脹土及其工程問(wèn)題2膨脹土的判別與分類（1）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有膨脹土判別分類指標(biāo)可分為兩大類：宏觀（間接）指標(biāo)通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其膨脹潛勢(shì)；微觀（直接）指標(biāo)反映脹縮機(jī)理的本質(zhì)參數(shù)，如蒙脫石含量、比表面積、陽(yáng)離子交換量。（2）公路部門：自由膨脹率、塑性指數(shù)；鐵路部門：微觀指標(biāo)。（3）最新研究成果：測(cè)試簡(jiǎn)便、能反映膨脹土的脹縮本質(zhì)的宏觀指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率。膨脹土路基膨脹土的初判判斷指標(biāo)膨脹土路基膨脹土評(píng)判指標(biāo)膨脹土分級(jí)注： 當(dāng)有2項(xiàng)指標(biāo)符合時(shí)，即判定為該等

6、級(jí)。膨脹土公路路基的常見(jiàn)病害（1）滑坡路堤路塹均有發(fā)生，是膨脹土路基最嚴(yán)重的病害。路堤滑坡往往發(fā)生在填土或基底為膨脹（巖）土層的情況，滑體一般寬2050米，厚25米；路塹滑坡多發(fā)生在膨脹（巖）土分界面，裂隙面或軟弱層處，寬數(shù)10米，厚一般34米，較少超過(guò)6米，具有成群分布、淺層性、牽引性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造性以及多次滑動(dòng)性等特點(diǎn)。10膨脹土及其工程問(wèn)題內(nèi)蒙古呼集路大滑坡11（2）坍滑路基施工中到處可見(jiàn)，路堤坍塌多發(fā)生在路肩，坍壁一般不超過(guò)1米，寬幾米或十幾米不等；路塹坍塌較嚴(yán)重，多發(fā)生在塹頂，坍壁一般高23米，寬為幾十甚至達(dá)到百米。膨脹土及其工程問(wèn)題12（3）溜坍路堤一般在坡腰和坡腳發(fā)生，厚度多小于1

7、米，路塹多在已剝落、沖蝕或臌脹的坡面上產(chǎn)生，高度和長(zhǎng)度均在數(shù)米內(nèi)，厚多在0.20.6米，在長(zhǎng)路塹邊坡中也可見(jiàn)多個(gè)溜坍體連成的溜坍裙。膨脹土及其工程問(wèn)題13（4）結(jié)構(gòu)物破壞由于膨脹土脹縮變形和膨脹力作用，擋墻推移，墻身被剪斷，涵洞基礎(chǔ)下沉開裂，洞身斷裂或涵底隆起， 橋臺(tái)開裂，橋梁錐坡和擋墻開裂外移。膨脹土及其工程問(wèn)題14水泥路面縱向開裂膨脹土及其工程問(wèn)題（5）路面變形、開裂和斷板瀝青路面變形（一）膨脹土路堤設(shè)計(jì)邊坡高度不大于10m時(shí)，邊坡坡度和平臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)膨脹土地區(qū)的路基設(shè)計(jì)邊坡高度邊坡坡度邊坡平臺(tái)寬度弱中弱中2.0膨脹土路基在膨脹土地區(qū)設(shè)計(jì)路堤時(shí)，還應(yīng)該考慮下面的要求：（1）用膨脹土作路基填料

8、，土塊應(yīng)擊碎。（2）強(qiáng)膨脹土不可做路基填料，不得已時(shí)候要進(jìn)行改良。（3）膨脹土路堤應(yīng)該預(yù)留沉降加寬量，可根據(jù)路堤高度，每側(cè)加寬0.5-1.5m。(1) 非膨脹性土包邊技術(shù)(2) 土工格柵（網(wǎng)）邊部加筋技術(shù)(3) 膨脹土與碎石夾層、格柵包邊技術(shù)(4) 石灰改良膨脹土、格柵包邊技術(shù)25推薦方案膨脹土路堤修筑技術(shù)5膨脹土直接用作路堤填料的處治技術(shù)（物理處治方法） 封閉包蓋H8.06.07.51.5:1.26非膨脹性土包邊技術(shù)碎石土膨脹土非膨脹土24.53.53.5175尺寸單位：m設(shè)計(jì)要點(diǎn)：破面封閉選擇具有一定強(qiáng)度且隔水性好的非膨脹性粘土包邊，包邊厚度由當(dāng)?shù)嘏蛎浲粮蓾裱h(huán)顯著影響區(qū)深度確定。底面隔水

9、應(yīng)對(duì)基底進(jìn)行處理，防治地下水和毛細(xì)水的影響。頂面封閉選擇非膨脹性粘土填筑于上路堤和路床。膨脹土路堤修筑技術(shù) 膨脹土路堤整體穩(wěn)定性檢算 膨脹土路堤整體穩(wěn)定性，進(jìn)行圓弧法分析進(jìn)行分析計(jì)算。強(qiáng)度采用浸水后的指標(biāo)，不計(jì)滑弧通過(guò)路堤表層1.0M的范圍內(nèi)的抗剪強(qiáng)度，設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.25。如小于1.25，則需要修改路基斷面直到滿足為止。膨脹土路堤邊坡表層穩(wěn)定性檢算 膨脹土路堤竣工初期，表層和內(nèi)部土的強(qiáng)度基本上是一致的。但經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用后，由于干縮濕漲反復(fù)作用變形，表層土中產(chǎn)生了很多裂隙，雨水沿著不斷發(fā)育的裂隙深入，使土塊崩解、軟化、膨脹，密度減小，導(dǎo)致大量的邊坡淺層溜坍發(fā)生。表層抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式: C

10、黏聚力，約等于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的一半（kpa） 土的容重 土的傾角 H滑面的高度 D滑面的深度，即表層軟化深度膨脹土路塹設(shè)計(jì)膨脹土路塹地區(qū)斷面形式應(yīng)根據(jù)膨脹土的特性，防治地表水的滲入，沖蝕，防止風(fēng)化作用發(fā)展，防止脹縮變形和強(qiáng)度衰減為出發(fā)點(diǎn)。因此路塹邊坡按照下面圖式設(shè)計(jì)：膨脹土路塹橫斷面形式膨脹土路基設(shè)計(jì)邊坡高度（m）邊坡坡度邊坡平臺(tái)側(cè)溝平臺(tái)寬度弱中強(qiáng)弱中強(qiáng)弱中強(qiáng)61:1.51:1.5-1:1.751:1.75-1:2.0可不設(shè)1.01.0-2.02.06-101:1.751:2.0：1:2.51.5-2.02.02.01.5-2.02.02.0路塹邊坡坡度和平臺(tái)寬度3 膨脹土路塹邊坡的穩(wěn)定性分析

11、 坡面沖蝕和表層溜坍是一種淺層破壞現(xiàn)象，一般不作邊坡橫斷面設(shè)計(jì)依據(jù)。大量實(shí)踐表明，膨脹土地區(qū)的滑坡多由邊坡開挖，切斷了下部支撐，在地下水作用下，使斜坡土體失去平衡而產(chǎn)生滑動(dòng)所致，故在開挖前應(yīng)探明有無(wú)產(chǎn)生滑坡的可能性，設(shè)計(jì)中考慮防止措施。 對(duì)膨脹土路塹邊坡穩(wěn)定性分析方法是：邊坡坍滑的靜力學(xué)平衡分析法，其理論基礎(chǔ)為圓弧條分法。受干濕循環(huán)作用控制的淺層破壞受裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面控制28的淺層破壞受層間軟弱結(jié)構(gòu)面控制的破壞膨脹土路塹邊坡處治技術(shù)膨脹土路塹邊坡滑坍是膨脹土地區(qū)最嚴(yán)重、最易發(fā)生和最難治理的地質(zhì)災(zāi)害。1膨脹土路塹邊坡破壞模式39剛性支護(hù)，以圬工結(jié)構(gòu)（重力式擋墻、抗滑樁和片石護(hù)面墻等）為主，并輔以其

12、他必要綜合處理措施，它是目前最常用的處治方法。3膨脹土路塹邊坡常用處治技術(shù)不允許被支護(hù)土體產(chǎn)生變形。積蓄的膨脹能和膨脹壓力大，可能導(dǎo)致支檔結(jié)構(gòu)物的破壞。施工困難、周期長(zhǎng)、造價(jià)高。膨脹土路塹邊坡處治技術(shù)40膨脹土路塹邊坡處治技術(shù)4柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)回填碎石土帶孔管兩布一膜封層回填碎石土滲溝水泥蓋板0.50.5漿砌片石單層土工布封層磚砌膨脹土填料填筑碎石帶孔管防水土工布路面70主要適用于各類膨脹土路塹邊坡的滑坡處治，也可用于邊坡開挖后的及時(shí)支護(hù)。回填碎石適用對(duì)象： 結(jié)構(gòu)形式41柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)特征采用土工格柵分層攤鋪錨固，回填非膨脹土或膨脹土壓實(shí)形成足夠厚度的柔性擋墻，再輔以坡頂?shù)姆忾]、墻背及基底的排水處理

13、可發(fā)揮如下功效：土工格柵與填土之間的摩擦力和咬合力以及格柵的層間聯(lián)結(jié)、反包可提供足夠的抗剪強(qiáng)度，使加筋土體構(gòu)成一個(gè)整體來(lái)抵抗邊坡的作用；柔性擋墻允許邊坡土體產(chǎn)生一定的變形可釋放開挖邊坡的大部分應(yīng)力和膨脹力，“以柔克剛”；坡率為1:1.5、厚度大于3.5m、高度大于三分之二坡高以上的的柔性墻體能覆蓋新近開挖塹坡的主要坡面，其足夠的自重可以抵抗土壓力的作用；足夠的墻體厚度可隔絕和防止風(fēng)化作用對(duì)坡體膨脹土的影響（大于有效活動(dòng)層深度），阻止裂隙進(jìn)一步發(fā)展和淺表層滑坍。各個(gè)防排水設(shè)施之間相互聯(lián)系，形成了路塹邊坡坡后、坡體、路基、路面、地表之間綜合防排水體系。膨脹土路塹邊坡處治技術(shù)42氣候季節(jié)變化和晴雨交替作用的影響，地表水平面以下自然土體水分發(fā)生顯著變化的深度范圍。干縮開裂顯著影響區(qū)增濕膨脹（產(chǎn)生膨脹力或膨脹變形）裂隙和裂縫干濕循環(huán)影響下的膨脹土邊坡膨脹土路塹邊坡處治技術(shù)5柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 處治范圍邊坡破壞現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)已經(jīng)表明膨脹土的破壞以淺表層為主，干濕循環(huán)是主要肇因。因此，路基處